JP2008175720A - Infrared sensor and infrared sensor array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型化された赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関し、特に、波長が10μm程度の赤外線を検出する熱型赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。 The present invention relates to a miniaturized infrared sensor and infrared sensor array, and more particularly, to a thermal infrared sensor and an infrared sensor array that detect infrared rays having a wavelength of about 10 μm.
従来の赤外線センサでは、赤外線受光部を備えたセンサアレイ上に、赤外線入射用の複数の貫通孔を備えた集光ミラーを固着することにより、赤外線受光部を集光ミラーで囲み、受光面積を大きくして検出感度の向上を図っている(例えば、特許文献1参照)。
また、検出感度を向上させるために、3Dホーン型アンテナと呼ばれる集光ミラーを設けたマイクロボロメータも提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
In order to improve detection sensitivity, a microbolometer provided with a condensing mirror called a 3D horn antenna has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).
赤外線カメラに適用されるアレイ型の赤外線センサでは、高精細化、多画素化、光学系の小型化のために、画素形成領域の小型化が必要とされる。画素ピッチとしては、現状の100μmから20μmのオーダに小型化が進められている。このような赤外線センサでは、略矩形形状の赤外線検知部の一辺の長さが10μm程度となり、赤外線受光部を囲む集光ミラーの開口部の一辺の長さも10μm程度となる。 In an array type infrared sensor applied to an infrared camera, it is necessary to reduce the pixel formation region in order to increase the definition, increase the number of pixels, and reduce the size of the optical system. The pixel pitch is being reduced from the current 100 μm to the order of 20 μm. In such an infrared sensor, the length of one side of the substantially rectangular infrared detection unit is about 10 μm, and the length of one side of the opening of the condensing mirror surrounding the infrared light receiving unit is also about 10 μm.
しかしながら、このような赤外線センサを、波長が10μm程度の赤外線の検出に使用した場合、集光ミラーを設けても検出感度が向上しないという問題があった。これに対して、発明者らが鋭意検討した結果、赤外線センサに入射する赤外線の波長(検出波長)が、開口部の寸法と同程度となると、開口部を通過するべき赤外線が反射され、赤外線検知部に入射する赤外線の量が減少し、検出感度が低下することを見出した。即ち、発明者らは、赤外線センサの高精細化を進める過程でこのような課題を見出し、これを解決すべく本願発明を完成させた。 However, when such an infrared sensor is used for detection of infrared rays having a wavelength of about 10 μm, there is a problem that the detection sensitivity is not improved even if a condenser mirror is provided. On the other hand, as a result of intensive studies by the inventors, when the wavelength of infrared rays (detection wavelength) incident on the infrared sensor is approximately the same as the size of the opening, the infrared light that should pass through the opening is reflected, and the infrared It has been found that the amount of infrared rays incident on the detector is reduced and the detection sensitivity is lowered. That is, the inventors found such a problem in the process of increasing the definition of the infrared sensor, and completed the present invention to solve this problem.
即ち、本発明は、検出波長が20μm以下、特に10μm程度の赤外線に対しても、高い検出感度を有する小型化された赤外線センサおよび赤外線センサアレイの提供を目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a miniaturized infrared sensor and infrared sensor array having high detection sensitivity even for infrared rays having a detection wavelength of 20 μm or less, particularly about 10 μm.
本発明は、赤外線検知部に入射する光を検出する赤外線センサであって、基板と、基板に形成された空洞部と、空洞部上に支持脚で支持された矩形の赤外線検知部と、赤外線検知部の一辺のみに沿って、基板上に設けられたミラーとを含み、ミラーに入射した光が、ミラーに反射されて赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサである。 The present invention is an infrared sensor that detects light incident on an infrared detection unit, a substrate, a cavity formed in the substrate, a rectangular infrared detection unit supported by a support leg on the cavity, and an infrared ray The infrared sensor includes a mirror provided on the substrate along only one side of the detection unit, and light incident on the mirror is reflected by the mirror and enters the infrared detection unit.
また、本発明は、基板と、基板に形成された空洞部と、空洞部上に支持脚で支持された矩形の赤外線検知部とを含む赤外線センサを、基板に含まれる直交する2軸方向にアレイ状に並置した赤外線センサアレイであって、直交する2軸方向の内の1軸方向にのみ、赤外線検知部に沿って基板上にミラーが形成され、ミラーに入射した光がミラーに反射されて赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサアレイでもある。 Further, the present invention provides an infrared sensor including a substrate, a cavity formed in the substrate, and a rectangular infrared detection unit supported by a support leg on the cavity in two orthogonal directions included in the substrate. An infrared sensor array juxtaposed in an array, wherein a mirror is formed on the substrate along the infrared detector only in one of the two orthogonal axes, and the light incident on the mirror is reflected by the mirror. And an infrared sensor array that is incident on the infrared detection unit.
以上のように、本発明では、波長が10μm程度の赤外線に対しても高い検出効率を有する、小型化、高精細化された赤外線センサを提供できる。 As described above, the present invention can provide a miniaturized and high-definition infrared sensor having high detection efficiency even for infrared rays having a wavelength of about 10 μm.
また、かかる赤外線センサは、モノリシック工程で作製できるため、製造方法の簡略化が可能となる。 In addition, since the infrared sensor can be manufactured by a monolithic process, the manufacturing method can be simplified.
実施の形態1.
図1は、全体が200で表される、本発明の実施の形態1にかかる赤外線検出装置の斜視図である。赤外線検出装置は、例えばシリコンからなる基板7を有する。基板7の上には、複数の熱型の赤外線センサ(赤外線検知素子)100が、アレイ状に配置されている。赤外線センサ100の周囲には、赤外線センサ100から得られた電気信号を処理する外部回路210が設けられている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view of an infrared detection device according to a first exemplary embodiment of the present invention, the whole being represented by 200. FIG. The infrared detection device has a
図2は、本実施の形態1にかかる赤外線センサ100であり、図2(a)に平面図、図2(b)の、図2(a)をII−II方向に見た場合の断面図を示す。II−II方向は、図1のI−I方向に相当する。なお、図2では、4つ(2×2)の赤外線センサ100を示している。
FIG. 2 shows the
図2に示すように、赤外線センサ100は、例えばシリコンからなる基板7を含む。基板7には、例えば酸化シリコンからなる絶縁体5を、基板7に一部が埋め込まれるように形成する。また、絶縁体5は、その上に形成された配線層6を覆うように形成されている。配線層6は、例えばAl−Cu等にアルミニウム合金や、アルミニウムから形成される。基板7には中空部8が設けられており、その上に、支持脚3で支持された赤外線検知部4が設けられている。中空部8を設けた断熱構造により、赤外線検知部4に入射した光が効率よく熱に変換される。
As shown in FIG. 2, the
赤外線検知部4は、例えば矩形形状であり、横幅(短辺)は、20μm以下、ここでは10μm程度であり、これは赤外線検知部4による検出波長と同程度の大きさである。また、縦幅(長辺)は10μmより大きくなっている。また、支持脚3は、例えば図2(a)に示すように、赤外線検知部4の左右にそれぞれ接続され、蛇行形状を有している。赤外線センサ100では、赤外線検知部4の横側に支持脚3が設けられているため、この領域への入射光は検出されない。このため、後述するミラー2は、赤外線検知部4の横側で支持脚3の一部を覆うように形成し、この領域への入射光を検出できるように形成している。
The
赤外線検知部4は、例えば、シリコンのダイオードからなるが、この他に酸化バナジウム、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどのボロメータ薄膜から形成しても良い。赤外線検知部4と配線層6は、支持脚3に設けられた配線(図示せず)により接続されている。
なお、縦方向に配置された配線6が、横方向に配置された配線6を跨ぐ部分におけるジャンパ配線、配線6間の接続配線、外部回路210への接続配線等は、従来の赤外線センサと同様であり、ここでは省略する。
The
The jumper wiring, the connection wiring between the
絶縁体5の上には、支持体9が、空洞部8の上に張り出すように設けられ、その上にミラー2が所定の角度で固定されている。ミラー2は、例えば、酸化シリコン膜と白金膜の積層構造からなる。ミラー2は、図2(a)に示すように、縦方向(図2(a)では上下方向)に延びて横方向に並ぶように配置され、横方向(図2(a)では左右方向)に延びるようには設けない。図2(a)に示すように、複数の赤外線センサ100に対して、ミラー2は共通ミラーとして一体的に形成されることが好ましい。
On the
また、ミラー2の角度は、概ね、基板7の法線方向から入射した光が反射されて、赤外線検知部4に照射されるような角度である。
ミラー2には、ミラー支持体貫通孔2aを形成して強度を高くして所望の形状を維持しているが、小規模のアレイである場合などでミラー2がアレイ端で支えられる場合にはミラー支持体貫通孔2aはなくても構わない。
The angle of the
The
なお、本実施の形態1では、ミラー2の形状を平板状としたが、湾曲した表面等、平坦でないミラー2としても構わない。以下の実施の形態2、3においても同様である。
In the first embodiment, the shape of the
かかる赤外線センサ100では、赤外線検知部4に検出光が入射すると、赤外線検知部4で光エネルギーが熱エネルギーに変わり、赤外線検知部4の温度が変化する。これに伴い、例えば抵抗値のような赤外線検知部4の物性値が変化し、これを支持脚3に設けた配線(図示せず)を介して検出することにより、入射光を検出する。本実施の形態1にかかる赤外線センサ100では、赤外線検知部4に直接入射する検出光に加えて、ミラー2上に入射する入射光も反射されて赤外線検知部4に入射する。即ち、実質的に赤外線検知部4の面積(開口率)が増大し、入射光の検出感度が向上する。
In the
上述のように、開口部の一辺が検出波長(10μm程度)と同程度の長さの集光ミラーを設けた場合、開口部を通過するべき赤外線が反射され、検出効率が低下していたが、本実施の形態1にかかる赤外線センサ100のように、ミラー2を、赤外線検知部4を囲まず一方向に形成することにより、縦方向(図2(a)では上下方向)に関しては、赤外線検知部4が受光領域の大半を占めているため、無駄となる入射光成分が少なく、かつ、ミラー2を設けていないために効率の低下がない。支持脚3を蛇行形状として赤外線検知部4を挟み込むように配置しているため、1つの赤外線検知部4と横方向に隣接する赤外線検知部4に検知が出来ない領域をまとめることができ、その上の一部にミラー2を設けることで入射光を有効に検知するようにした。支持脚3を形成している領域全てにミラー2を形成してもよい。図2に示すように赤外線検知部4の幅が検知波長と同程度で全てを覆うと入射光の反射が強くなり、一部だけを覆うように形成した方が高効率となる場合には、支持脚3を形成している領域の一部にミラー2を形成してもよい。このように、入射光は赤外線検知部4に入射し検出感度の高い赤外線センサ100を得ることができる。
As described above, when a condensing mirror having a length approximately equal to the detection wavelength (about 10 μm) is provided on one side of the opening, the infrared rays that should pass through the opening are reflected, and the detection efficiency is reduced. As in the
次に、図3〜5を参照しながら、本実施の形態1にかかる赤外線センサ100の製造方法について説明する。かかる製造方法は、以下の工程1〜4を含む。
なお、図3〜5においては、図2と同様に、(a)に4つ(2×2)の赤外線センサ100の平面図、(b)に、その断面図を示し、また、図2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
Next, a method for manufacturing the
3 to 5, as in FIG. 2, (a) is a plan view of four (2 × 2)
工程1:図3に示すように、まず、例えばシリコンからなる基板7が準備される。続いて、例えば酸化シリコンからなる絶縁体5を、基板7に一部が埋め込まれるように形成する。また、絶縁体5は、その上に形成された、例えばアルミニウム合金からなる配線層6を覆うようにも形成する。
基板7の表面には、例えば酸化シリコンからなる絶縁層を形成し、これをエッチングして支持脚3を形成する。また、両側が支持脚3に接続されるように、支持脚3の中央に赤外線検知部4を形成する。赤外線検知部4は、例えば、シリコンのpnダイオードからなる。なお、ここでは図示しないが、赤外線検知部4と配線層6とは、支持脚3に配線を形成することにより電気的に接続する。
Step 1: As shown in FIG. 3, first, a
An insulating layer made of, for example, silicon oxide is formed on the surface of the
工程2:図4に示すように、支持脚3、赤外線検知部4を覆うように、例えば、ポリイミドからなる埋め込み犠牲層10を形成する。埋め込み犠牲層10の表面は、絶縁体5の表面と同じ高さとし、絶縁体5の表面は埋め込み犠牲層10から露出している。
続いて、全面を覆うように、例えば酸化シリコン膜を形成し、これをエッチングして支持体9を形成する。
Step 2: As shown in FIG. 4, an embedded
Subsequently, for example, a silicon oxide film is formed so as to cover the entire surface, and this is etched to form the
工程3:図5に示すように、膜厚が20μm程度のフォトレジスト層を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いてこれを加工し、断面形状が台形になるミラー支持体20を形成する。フォトリソグラフィには、光強度が入射面内で変わるように、露光光の強度を変調させた露光方式を用いる。更に、フォトリソグラフィ技術を用いてミラー支持体貫通孔2aを形成する。
続いて、ミラー支持体20上に、例えば酸化シリコン膜と白金膜とを形成した後、これを選択的に除去してミラー2を形成する。ミラー2は、下部において支持体9に固定されている。かかる工程では、ミラー支持体貫通孔2aを形成しないことも可能である。
なお、ミラー支持体20の位置等を高精度で形成するためには、フォトレジストのスプレーコート法や長焦点露光法など、既存の高段差リソグラフィ法を用いることが好ましい。
Step 3: As shown in FIG. 5, after forming a photoresist layer having a film thickness of about 20 μm, it is processed using a photolithography technique to form a
Subsequently, for example, a silicon oxide film and a platinum film are formed on the
In order to form the position of the
工程4:ミラー支持体20、埋め込み犠牲層10を、酸素プラズマ等を用いて除去する、続いて、基板8をエッチングして、空洞部8を形成する。
これにより、図2に示すような、空洞部8の上に、支持脚3で赤外線検知部4が支持され、更に、支持体9の上にミラー2が固定された赤外線センサ100が完成する。
Step 4: The
Thereby, as shown in FIG. 2, the
かかる製造方法を用いることにより、従来の赤外線センサのように、赤外線検知部を形成した基板と集光ミラーとを別々に作製しこれらを貼り合わせる(ハイブリッド構造)製造方法を用いると、ミラー2を形成する基板の厚さが数十μmと薄く、かつ、10μm程度の幅で、場合によっては数mmから数cmの複数の梁を有する基板となるため、歪みなく1μmオーダで張り合わせていくなど極めて作製が困難であったミラー2の作製が可能となる。
また、赤外線検知部4を形成した基板7上に、フォトリソグラフィ技術を用いてミラー2を形成する(モノリシック構造)ため、赤外線検知部4とミラー2との位置合わせを容易かつ正確に行うことができる。
By using such a manufacturing method, as in a conventional infrared sensor, a substrate on which an infrared detector is formed and a condenser mirror are separately manufactured and bonded together (hybrid structure). The thickness of the substrate to be formed is as thin as several tens of μm, and the width is about 10 μm. In some cases, the substrate has a plurality of beams of several mm to several centimeters. The
In addition, since the
実施の形態2.
図6は、全体が200で表される、本実施の形態2にかかる赤外線センサの断面図であり、図1のI−I方向に見た場合の断面図である。なお、図6では、2つの赤外線センサ200を示している。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the infrared sensor according to the second embodiment, the whole being represented by 200, and is a cross-sectional view when viewed in the II direction of FIG. In FIG. 6, two
赤外線センサ200では、実施の形態1の製造工程3で、断面形状が台形になるミラー支持体20を形成し、その上にミラー2を形成した後に、ミラー2をマスクに用いたRIE等の異方性エッチングにより、図6に示すようなミラー支持体20を形成する。
続いて、等方性エッチングにより犠牲層10を除去し、更に、空洞部8を形成する。
これにより、図6に示す赤外線センサ200が完成する。他の製造工程は、上述の赤外線センサ100と同様である。
In the
Subsequently, the
Thereby, the
本実施の形態2にかかる赤外線センサ200では、ミラー2の下部にミラー支持体20が設けられているため、ミラー2の支持強度を高くすることが可能となる。
特に、簡単な製造工程で、このようなミラー支持体20を有する赤外線センサ200の製造が可能となる。
In the
In particular, the
実施の形態3.
図7は、全体が300で表される、本実施の形態3にかかる赤外線センサの断面図であり、図1のI−I方向に見た場合の断面図である。なお、図7では、2つの赤外線センサ300を示している。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the infrared sensor according to the third embodiment, which is represented as a whole by 300, and is a cross-sectional view when viewed in the II direction of FIG. In FIG. 7, two
赤外線センサ300では、赤外線検知部4の両側に、ライン状のミラー2が設けられ、赤外線検知部4の両側から、ミラー2での反射光が赤外線検知部4に入射するようになっている。かかる構造を用いることにより、検出感度の高い赤外線センサ300を得ることができる。
In the
なお、かかる赤外線センサ300は、両側をミラー2で囲むため、赤外線検知部4の面積が比較的大きい場合に適用することが好ましい。
The
2 ミラー、3 支持脚、4 赤外線検知部、5 絶縁体、6 配線層、7 基板、8 中空部、9 支持体、10 犠牲層、20 ミラー支持体、100 赤外線センサ。 2 mirror, 3 support leg, 4 infrared detection part, 5 insulator, 6 wiring layer, 7 substrate, 8 hollow part, 9 support, 10 sacrificial layer, 20 mirror support, 100 infrared sensor.
Claims (7)
基板と、
該基板に形成された空洞部と、
該空洞部上に支持脚で支持された該赤外線検知部と、
該赤外線検知部の一辺のみに沿って、少なくとも該支持脚の一部を覆うように形成された該基板上に設けられたミラーとを含み、
該ミラーに入射した光が、該ミラーに反射されて該赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサ。 An infrared sensor for detecting light incident on the infrared detector,
A substrate,
A cavity formed in the substrate;
The infrared detection unit supported by a support leg on the cavity,
A mirror provided on the substrate formed so as to cover at least a part of the support leg along only one side of the infrared detection unit,
An infrared sensor characterized in that light incident on the mirror is reflected by the mirror and incident on the infrared detector.
該ミラーおよび該対向ミラーで反射された光が、該ミラーと該対向ミラーとに挟まれた該赤外線検知部に入射することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。 Including an opposing mirror provided on the substrate along the other side of the infrared detection unit facing the one side,
2. The infrared sensor according to claim 1, wherein light reflected by the mirror and the counter mirror is incident on the infrared detection unit sandwiched between the mirror and the counter mirror. 3.
該直交する2軸方向の内の1軸方向にのみ、該赤外線検知部に沿って該基板上にミラーが形成され、該ミラーに入射した光が該ミラーに反射されて該赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサアレイ。 An infrared sensor including a substrate, a cavity formed in the substrate, and an infrared detector supported by a support leg on the cavity is juxtaposed in an array in two orthogonal directions included in the substrate. An infrared sensor array,
A mirror is formed on the substrate along the infrared detector only in one of the two orthogonal axes, and the light incident on the mirror is reflected by the mirror and incident on the infrared detector. An infrared sensor array.
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2016148541A (en) * | 2015-02-10 | 2016-08-18 | 三菱マテリアル株式会社 | Non-contact temperature sensor |
JP2017150831A (en) * | 2016-02-22 | 2017-08-31 | 三菱マテリアル株式会社 | Infrared sensor device |
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2007
- 2007-01-19 JP JP2007010160A patent/JP2008175720A/en active Pending
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